Adv. Mater. 南京大学朱嘉：用于高效太阳能蒸汽的精制氧化石墨烯基气凝胶

【引言】

利用太阳能来产生蒸汽的技术具有广泛的应用前景，可以应用在诸如海水的淡化提纯、蒸馏、液-液分离、灭菌等技术上。而这一技术的核心在于太阳能吸收体(absorbes)材料的选择上，到目前为止已经发展出了金属微粒吸收体、碳材料吸收体、等离子吸收体等。如果要使这一技术的能量转化效率大于80%，就要将太阳光汇聚从而提高单位面积上能接收到的太阳能，为了实现这一点往往需要聚焦太阳光的设备，这就限制了该技术的可扩展性。理想的吸收体应具有以下几点性质：1、能高效吸收太阳能的宽的光谱带，2、低热导率，3、高效水传输中的亲水性，4、能输送水蒸气的多孔网状结构。气凝胶是一种新型的多孔固体材料，自上世纪30年代就被制备和研究，它具有密度低、孔隙度高、表面积大、热导率低等特点，因为气凝胶是通过将凝胶物质干燥后去除掉其中的溶剂得到的，故其也是密度最小的物质。目前已经制备出了硅基气凝胶、金属基气凝胶、聚合物基气凝胶以及碳基气凝胶，可以应用在储能、催化剂、储氢以及吸收CO2等领域，就太阳能吸收体而言，开发出一种能够高效吸收热能、亲水性的物质是十分必要且具有前景的。

【成果介绍】

近日，南京大学朱嘉教授(通讯作者)课题组在Advanced Materials上发表了题为“Tailoring Graphene Oxide-Based Aerogels for Efficient Solar Steam Generation under One Sun”的文章，该课题组精制了一种氧化石墨烯(GO)基气凝胶，通过引入多壁碳纳米管(MWCNTs)、海藻酸钠(SA)后具有良好的吸收太阳光性能和亲水性，可用于吸收太阳能产生水蒸气发电。其中，在GO中引入多壁碳纳米管可以提供宽的光谱吸收带，从而提高了吸收效率；GO本身是一种热导率很低的材料，故其在产生蒸汽发电的过程中能够使热量尽可能聚集；而加入具有生物相容性的SA材料后，使得GO具有良好的亲水性，使其水接触角接近74°；该GO-气凝胶内部的多孔网络结构使其能够进行水/水蒸气的输送，同时低密度的气凝胶能够良好地分布在水的表面。

【图文导读】

示意图：氧化石墨烯基气凝胶的制备过程

首先将氧化石墨烯(GO)、海藻酸钠(SA)、碳纳米管(CNT)在水中超声混合在一起，然后经过传统的冻干操作，得到GO-SA-CNT气凝胶

图1. GO-气凝胶的形态表征

(a) RGO-SA-CNT气凝胶的俯视图，图中显示了所制备的气凝胶圆柱体直径为25mm

RGO-SA-CNT气凝胶在经过(b)按压前以及(c)按压后的侧视图

RGO-SA-CNT气凝胶在经过(d,f)按压前以及(e)按压后的SEM图像

图像显示了经过按压之后RGO-SA-CNT气凝胶的厚度由5mm减至1.5mm，其内部孔的直径也有减小

(g) RGO气凝胶 以及 (h) RGO-SA-CNT气凝胶 的HRSEM图像，图(h)中白色和黑色的虚线分别显示了CNT和SA的分布情况

图2. GO-气凝胶的化学组成及官能团表征

RGO气凝胶、RGO-SA气凝胶、RGO-SA-CNT气凝胶的(a)XPS谱和(b)吸收谱

图3. GO-气凝胶用于产生水蒸气的测试

(a)在光能量密度为1kW·m^-2下不同吸收体改变水的质量随时间变化曲线

(b)不同气凝胶的太阳能蒸汽效率(六角形，左轴)和蒸发速率(圆形，右轴)

图4. GO-气凝胶的热分布情况测试

(a)RGO-SA-CNT气凝胶以及经太阳光照射的底部的水的温度随时间变化曲线，插图显示了0 s、1000 s、1 h后经太阳光照射后的烧杯的红外相机图片，太阳光能量密度为1kW·m^-2；黑色虚线表示烧杯的轮廓，白色虚线表示自由浮动的样品的位置

(b) 1kW·m^-2的光照1 h后沿烧杯轴向的温度分布曲线，插图是相应的RGO-SA-CNT气凝胶的红外相机图片

【小结】

该课题组通过超声混合、冻干等传统方法制备出了一种能自由浮动在水面的石墨烯基气凝胶材料，能够有效地应用在太阳能产生蒸汽技术中。在RGO的多孔网状结构的基础上，引入海藻酸钠(SA)、多壁碳纳米管(MWCNT)使其太阳能光谱吸收率达到92%，吸收范围为200-2500nm，其亲水性良好，与水的界面角接近72°，这些特性使得该气凝胶在1kW·m^-2的光照下能量转换效率可达83%。综合而言，该气凝胶制备方法简单，具有可扩展性，同时该气凝胶在普通光照条件(1kW·m^-2)下仍具有良好的吸收性能，在海水淡化、水净化和灭菌方面有广阔的应用前景。

文献链接：Tailoring Graphene Oxide-Based Aerogels for Efficient SolarSteam Generation under One Sun(Adv. Mater., 2016, DOI:10.1002/adma.201604031)

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